祝・重力波検出

内山茂男

はじめに

今回の特集テーマは「マスコミ」。マスコミとは“Mass Communication” を省略したものです。“Mass” とは「大量」などの意味があり、 マスコミとはテレビや新聞などのように「大量の人々」に情報を提供するものとして使われている言葉です。でも、“Mass” には「質量」という意味もあります。 ですから、“Mass Communication”とは「質量のコミュニケーション」でもあるわけです。「質量同士のコミュニケーション」と言えば「重力」です。 天文界では、重力はものすごく大事なものです。太陽や地球ができたのも、構成している物質が重力で引きあっているから。 日食などの天文現象がいつ起こるのかを計算できるのも、重力が計算式通りに働くからです。

さて、今年の2月11日に「重力波検出に成功!」という発表がありました。今夏の富山流星会議では重力波研究者の講演があり、 その後の懇親会でもいろいろな話を聞くことができました。さらに、9月にBLUE BACKSから「重力波とはなにか」という本が発刊され、購入して読みました。 そこで、以前に漠然と抱いていた素朴な疑問と、それに関する話をここに書いてみます。


検出器
図1. 重力波検出器

重力波検出装置

現在の主な重力波検出器の原理は、図1のようなものです。レーザー光線をビームスプリッターで2つに分け、鏡AとBで反射して帰ってきた光を重ね合わせます。 この2つの光が干渉して強め合ったり弱めあったりしますが、これを利用して2つの鏡までの距離の相対的な変化を検出するのです。


素朴な疑問1: 重力波が来ても装置全体が一緒に動いて、検出できないのでは?

重力波は時空の歪みが伝わってくる現象です。ということは、重力波が来ても装置全体が一緒に動いてしまうのではないでしょうか? すると、鏡までの距離は変動しませんので、検出できないような気がします。もしも、重力波の波長が検出器程度であれば、装置全体が同じ動きをしないかもしれません。 現在、日本が建設中の重力波望遠鏡KAGRAは基線長が3kmです。重力波は光速で伝わってきますから、波長3kmということは周波数10万Hzです。 重力波の波源として有力なのは、中性子連星やブラックホール連星で、この公転が1秒間に10万周することになります。 ちょっと信じがたい速さですから、現実的ではないと思います。

重力波
図2. 重力波

この疑問については、流星会議での講演で解決しました。重力波は、図2のように時空が伸び縮みしてそれが伝わってくる現象だというのです。 直角な2方向で一方が伸びる時に、他方が縮むので、この違いをレーザー干渉計でとらえられるのです。ただし、重力波がどの方向から来ても検出できるわけではありません。 もしも、図1の上方向からやってくると、鏡A・Bまでの距離が同時に伸びたり縮んだりするので、その差が検出できません。ただし、そうなる確率はあまり高くはありません。

でも、どうして重力波がこのような伸び縮みを生じさせるのでしょうか? 講演会でこの質問をしたところ、 一般相対性理論ではこうなるということ以上の説明はなかなかできないそうです。また、ブルーバックスでも、ここの説明は十分ではありませんでした。 ブルーバックスのレベルを超えた内容なのでしょう。


素朴な疑問2: 変動は非常に小さい。検出できるのか?

「重力波の存在を理論的に予言したあと、アインシュタインはいくつかの天体の例を用いてどの程度の重力波が放射されるか計算しました。 しかし、あまりにも小さな値しか得られなかったので、重力波の検出は無理だろうと考えていたようです。」 「重力波望遠鏡においてひとつの目安となっている10-21という感度は、地球と太陽の間の距離が、およそ水素原子1個分だけ変動することに対応します。」 (ブルーバックスより)

地球太陽間で水素原子1個分の割合なら、基線長3kmでの変動はあまりにもわずかです。もともと、水素原子1個というのはレーザー光の波長よりはるかに小さいです。 それよりもはるかにわずかな変動をとらえなければならないのです。技術的に不可能に思えてしまいます。

それについての回答は、講演と書籍の両方で得られています。まず、レーザーの干渉は、きれいに打ち消しあう状況にしておきます。 すると、そこからほんのわずかでもずれれば、ずれに比例した光量が得られます。その光は弱いのですが、十分検出できるというわけです。
また、建設した装置の基線長は3kmですが、実質的な距離を長くするために、レーザー光が1往復するだけでなく、 何度も往復するための鏡を入れるなどの工夫がたくさんあります。空気があれば、その密度揺らぎが影響しますので、すべて真空中です。


素朴な疑問3: 雑音と区別できるのか?

人間活動や風、微小地震などで、常に大地はわずかに振動しているものです。これらの振動(雑音)の方が、重力波よりもずっと大きいはずです。 重力波が届いていても、雑音に埋もれて検出できないのではないでしょうか?

図3
図3. 鏡の振動を防ぐ

これについては、様々な工夫がされていることがわかりました。まず、鏡などは振り子のように吊るし、大地の揺れが伝わりにくくなるようにしています (図3よりもっと複雑に工夫してあるものです)。
また、熱運動対策もしています。すべての原子等はその温度に応じた乱雑な運動をしており、熱運動と呼んでいます。 これによりすべてのものが不規則な振動をしてしまいます。そこでKAGRAでは鏡や振子を‐250℃ほどに冷却するそうです。

できる対策をしても、どうしても雑音の影響は残ります。そこで、「雑音を検出し、それを打ち消すように鏡を動かす」ということをしています。 ハワイのすばる望遠鏡でも、「シンチレーションを検出し、それを打ち消すように主鏡を変形させる波面補償光学装置」というものが実用化されて、 非常にシャープな画像を得ています。同様のことを重力波望遠鏡KAGRAでも行うのです。

書籍を読んで驚いた雑音原因がありました。それは「光の量子雑音」です。光は連続した波ではなく、光子という粒としての性質があります。 鏡に光を当てると、鏡が不規則に振動するというのです。また、光を検出器で検出する際にも量子雑音があるそうです。こんなものの影響を考えなければならないほど、 ほんのわずかなものを測定しているのだとあらためて驚きました。


素朴な疑問4: 重力波の影響を雑音として補正しないのか?

雑音を検出して鏡の位置を補正するのであれば、重力波が来たときにも補正してしまいそうです。どうやって、雑音信号と、重力波の信号を区別するのでしょうか?

これは、流星会議での講演会で話を聞いているときの疑問です。そこで、懇親会の時に、直接質問してみました。 研究者からの答えは「重力波も補正します。その補正信号の中から重力波を見つけるのです」というものでした。 お酒が入った席でしたので、そんなことをしているのか、と感心して終わりました。でも、後で考えたら、どうやって区別するのか、私にはわかりません。 これについては、書籍に回答がありました。
重力波の波形は、理論的に予想できます。その予想波形と重力波望遠鏡の出力の相関を解析するのです。重力波源には様々なものが想定されます。 例えば、ブラックホールの合体といっても、ブラックホールの質量の組み合わせや、地球からの距離によって、重力波の波形や振幅が変わります。 したがって、波形を理論的に予測するといっても、非常にたくさんのケースを想定します。したがって、コンピュータの能力がかなり必要だということです。
なお、想定している重力波の周波数付近は、雑音が少なくなるあたりです。例えば、地面の振動は周波数が低いものが多く、放射雑音は周波数が高いものが多いのです。 雑音の振幅が大きくても、周波数が全く異なっていれば、十分見分けることができるのです。


重力波からわかること

最初に検出された重力波から、次のようなことが発表されました。

「太陽の36倍と29倍の質量を持つブラックホール連星が、地球から13億光年離れた場所で合体し、太陽の62倍の質量を持つ新たなブラックホールが誕生した。 合体時に失われた質量が太陽の3倍で、これが重力波として放出された。」

重力波が検出される前は、こんなにいろいろなことがわかるとは思っていませんでした。どうしてこんなことがわかるので、厳密さに欠けるでしょうが、簡単に説明してみます。

図4
図4. 重力波の波形

・合体前(インスパイラル期)の波形 → 公転周期
・インスパイラル期の周期変動 → 天体質量情報(質量が大きいほど、重力波放射が多く、公転エネルギーを早く失う)→ 公転軌道の大きさ(公転周期情報と合わせて)
・重力波の振幅 → 現象の距離(天体情報からもとの振幅が計算可能。観測された振幅との比較で距離がわかる)
・合体後のダウン期の信号の周波数 → 合体後のブラックホールの質量(質量が小さい方が周波数が高い)
・ダウン期の信号の減衰 → 合体後のブラックホールのスピン(自転速度)(スピンが大きいほど振動が長続きする)

最初に検出された重力波は、想定以上にしっかりした信号だったそうです。合体直前には、2つのブラックホールが光速の60%で公転していたと計算されています。


おわりに

これらのことを知る前には、「アインシュタインの理論による重力波の存在を確かめるために、大きな検出器を作っている」のだと思っていました。 重力波の信号からこれほど多くのことがわかるというのは、驚きでした。
自然というものは、調べれば調べるほど、予想外のことを見せてくれるものです。これからの重力波天文学が楽しみになりました。

・富山流星会議 講演会(2016年8月6日)
        演題: 重力波初検出 100年かかったアインシュタインからの宿題
        講師: 東京大学 宮川 治 氏

・参考文献:「重力波とはなにか」 安東正樹 著 講談社BLUE BACKS



この文章は、私の所属する“さいたま☆天文同好会”の会報「まがたま」98号 (2016年11月発行)に掲載したものを、一部書き直したものです。


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